以代码的思想去详细讲解yolov3算法的实现原理和训练过程，并教使用visdrone2019数据集和自己制作数据集两种方式去训练自己的pytorch搭建的yolov3模型，吐血整理万字长文，纯属干货 ！
实现思路
第一步：Pytorch搭建yolo3目标检测平台
模型yolov3和预训练权重下载
yolo3算法原理实现思路
一、预测部分
1、yolo3的网络模型架构和实现
2、主干特征网络darknet53介绍和结果（获取3个初始特征层）
3、从初始特征获取预测结果（最终的3个有效的特征层）
4、预测结果的解码（对最终的3个有效特征层的结果进行解码
）5、在原图上进行绘制（对解码的结果数据在原图绘制展现）
二、训练部分
1、计算loss所需参数
2、prediction是什么
3、target是什么。
4、loss的计算过程
5、正式开始训练
第二步：使用Visdrone2019训练自己的模型yolov3模型
yolov3整体的文件夹结构
一、数据集准备
1.visdrone数据集训练
2.自己制作数据集训练
二、训练和效果展示
3.正式开始训练
4.训练效果
三、利用训练好了的模型进行预测
yolo算法原理实现思路
模型yolov3和预训练权重和数据集，关注微信公众号：码农的后花园，即可下载使用。
一.预测部分1.yolo3的网络模型结构如下：
如图1所示：
输入一张图片任意大小的图片然后数据处理为416*416*3的图片大小到yolo3的模型中，首先经过主干特征提取网络darknet53会提取到3个初步的特征层用于进行目标检测，三个特征层位于yolo模型的主干特征提取网络darknet53的 不同位置，分别位于中间层P3、中下层P4、底层P5(P3，对应的是darknet从上向下的第3个网络模块，0开始),如上图红色框所示，三个特征层的shape分别为(52,52,256),(26,26,256),(13,13,1024)。
这里的52*52,26*26,13*13可视化的理解是指原始图片处理后得到模型可用的416*416的图片分为52*52,26*26,13*13大小的网格，也就是这样不同尺寸的特征图，分别用来检测小目标，中等大小的的目标，较大的目标，因为特征图其上我们预先设置的先验框的尺寸大小不一样,在13*13的特征图上（有最大的感受野）应用较大的先验框，用来检测较大目标，如下图所示，图中的蓝色框。
在由主干特征提取网络darknet53得到这样的3个初始特征层之后，还需要经过一定的处理，最终得到yolo3模型的最终3个有效的特征层out0(P5),out1(P4),out2(P3)，也就是yolov3的网络预测结果。如上图1绿色框所示。具体处理过程：
1.这个处理首先对P5经过5次卷积，之后有两个处理：一是再经过一次conv2D3*3和一次conv2D 1*1最终得到我们初始特征层P5的输出的有效特征层out0,用于检测小目标。二是P5这5次卷积之后的结果进行再一次卷积Conv2D和上采样UpSampling2D得到(batchsize,26,26,256)，这用于和P4进行拼接。
2.P4和P5经过上采样之后的结果进行一个拼接Concat得到（batchsize,26,26,768）之后再次经过Conv2D Block 256这样的5次卷积之后得到（batchsize,26,26,256),然后也有俩个处理，和上述一样，一是再经过一次conv2D3*3和一次conv2D 1*1最终得到我们初始特征层P4的输出的有效特征层out1，用于检测中等大小的目标。二是进行Conv2D和上采样UpSampling2D用于和P3进行拼接。
3.P3和P4经过上采样之后的结果进行拼接之后，经过5次Conv2D Block 128之后，只有一个处理，就是一次conv2D3*3和一次conv2D 1*1即可最终得到我们初始特征层P3的输出的有效特征层out3。
2.主干特征网络darknet53介绍
YOLOv3相比于之前的yolo1和yolo2，改进较大，主要改进方向有：
1、主干网络修改为darknet53，其重要特点是使用了残差网络Residual，darknet53中的残差卷积块就是进行一次3X3、步长为2的卷积，然后保存该卷积layer，再进行一次1X1的卷积（用于减少通道数）和一次3X3的卷积(增加通道数)，并把这个结果加上layer作为最后的结果， 残差网络的特点是容易优化，并且能够通过增加相当的深度来提高准确率。其内部的残差块使用了跳跃连接，缓解了在深度神经网络中增加深度带来的梯度消失问题。
残差块示意图：将靠前若干层的某一层数据输出直接跳过多层引入到后面数据层的输入部分。意味着后面的特征层的内容会有一部分由其前面的某一层线性贡献。深度残差网络的设计是为了克服由于网络深度加深而产生的学习效率变低与准确率无法有效提升的问题。残差块
2、darknet53的每一个卷积部分使用了特有的DarknetConv2D结构，每一次卷积的时候进行l2正则化，完成卷积后进行BatchNormalization标准化与LeakyReLU。普通的ReLU是将所有的负值都设为零，Leaky ReLU则是给所有负值赋予一个非零斜率。以数学的方式我们可以表示为：
darknet53实现代码为：详情请见：darknet53.py（定义主干darknet53的网络结构）
import torch
import torch.nn as nn
import math
from collections import OrderedDict
#Residual Block
class BasicBlock(nn.Module):
#初始化操作
def __init__(self, inplanes, planes):
super(BasicBlock, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(inplanes, planes[0], kernel_size=1,
stride=1, padding=0, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(planes[0])
self.relu1 = nn.LeakyReLU(0.1)
self.conv2 = nn.Conv2d(planes[0], planes[1], kernel_size=3,
stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(planes[1])
self.relu2 = nn.LeakyReLU(0.1)
#定义残差快
def forward(self, x):
residual = x
out = self.conv1(x)
out = self.bn1(out)
out = self.relu1(out)
out = self.conv2(out)
out = self.bn2(out)
out = self.relu2(out)
out += residual
return out
#darknet53网络结构
class DarkNet(nn.Module):
def __init__(self, layers):
super(DarkNet, self).__init__()
self.inplanes = 32
self.conv1 = nn.Conv2d(3, self.inplanes, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=False)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(self.inplanes)
self.relu1 = nn.LeakyReLU(0.1)
self.layer1 = self._make_layer([32, 64], layers[0])
self.layer2 = self._make_layer([64, 128], layers[1])
self.layer3 = self._make_layer([128, 256], layers[2])
self.layer4 = self._make_layer([256, 512], layers[3])
self.layer5 = self._make_layer([512, 1024], layers[4])
self.layers_out_filters = [64, 128, 256, 512, 1024]
# 进行权值初始化
for m in self.modules():
if isinstance(m, nn.Conv2d):
n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
m.weight.data.fill_(1)
m.bias.data.zero_()
def _make_layer(self, planes, blocks):
layers = []
# 下采样，步长为2，卷积核大小为3
layers.append(("ds_conv", nn.Conv2d(self.inplanes, planes[1], kernel_size=3,
stride=2, padding=1, bias=False)))
layers.append(("ds_bn", nn.BatchNorm2d(planes[1])))
layers.append(("ds_relu", nn.LeakyReLU(0.1)))
# 加入darknet模块
self.inplanes = planes[1]
for i in range(0, blocks):
layers.append(("residual_{}".format(i), BasicBlock(self.inplanes, planes)))
return nn.Sequential(OrderedDict(layers))
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.bn1(x)
x = self.relu1(x)
x = self.layer1(x)
x = self.layer2(x)
out3 = self.layer3(x)
out4 = self.layer4(out3)
out5 = self.layer5(out4)
return out3, out4, out5
def darknet53(pretrained, **kwargs):
model = DarkNet([1, 2, 8, 8, 4])
if pretrained:
if isinstance(pretrained, str):
model.load_state_dict(torch.load(pretrained))
else:
raise Exception("darknet request a pretrained path. got [{}]".format(pretrained))
return model
3、从初始特征获取预测结果
1、在特征提取部分，yolo3借助darknet53提取多特征层进行目标检测，一共提取三个初始特征层P5,P4,P3，三个特征层位于主干部分darknet53的不同位置，分别位于中间层，中下层，底层，三个特征层的shape分别为(52,52,256)、(26,26,512)、(13,13,1024)。
2、对这三个初始的特征层进行5次卷积处理等操作之后，处理完后一部分用于输出该特征层对应的预测结果out0,out1,out2，一部分用于进行反卷积UmSampling2d后与其它初始特征层进行结合。
3、输出层(最终的3个有效特征层)的shape分别为(13,13,75)，(26,26,75)，(52,52,75)，最后一个维度为75是因为该图是基于voc数据集的，它的类为20种，yolo3只有针对每一个特征层存在3个先验框，所以最后维度为3x25；
如果使用的是coco训练集，类则为80种，最后的维度应该为255 = 3x85，三个特征层的shape为(13,13,255)，(26,26,255)，(52,52,255)。
其实际情况就是，由于我们使用得是Pytorch，它的通道数默认在第一位，输入N张416x416的图片，在经过多层的运算后，会输出三个shape分别为(N,255,13,13)，(N,255,26,26)，(N,255,52,52)的数据，对应每个图分为13x13、26x26、52x52的网格上3个先验框的位置。
实现代码如下：详情请见：yolo3.py（定义yolo3的整个网络结构模型）
import torch
import torch.nn as nn
from collections import OrderedDict
from nets.darknet import darknet53
def conv2d(filter_in, filter_out, kernel_size):
pad = (kernel_size - 1) // 2 if kernel_size else 0
return nn.Sequential(OrderedDict([
("conv", nn.Conv2d(filter_in, filter_out, kernel_size=kernel_size, stride=1, padding=pad, bias=False)),
("bn", nn.BatchNorm2d(filter_out)),
("relu", nn.LeakyReLU(0.1)),
]))
def make_last_layers(filters_list, in_filters, out_filter):
m = nn.ModuleList([
conv2d(in_filters, filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
conv2d(filters_list[1], filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
conv2d(filters_list[1], filters_list[0], 1),
conv2d(filters_list[0], filters_list[1], 3),
nn.Conv2d(filters_list[1], out_filter, kernel_size=1,
stride=1, padding=0, bias=True)
])
return m
class YoloBody(nn.Module):
def __init__(self, config):
super(YoloBody, self).__init__()
self.config = config
# backbone
self.backbone = darknet53(None) # darknert53用于提取初始特征
out_filters = self.backbone.layers_out_filters
# last_layer0
final_out_filter0 = len(config["yolo"]["anchors"][0]) * (5 + config["yolo"]["classes"])
self.last_layer0 = make_last_layers([512, 1024], out_filters[-1], final_out_filter0)
# embedding1
final_out_filter1 = len(config["yolo"]["anchors"][1]) * (5 + config["yolo"]["classes"])
self.last_layer1_conv = conv2d(512, 256, 1)
self.last_layer1_upsample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
self.last_layer1 = make_last_layers([256, 512], out_filters[-2] + 256, final_out_filter1)
# embedding2
final_out_filter2 = len(config["yolo"]["anchors"][2]) * (5 + config["yolo"]["classes"])
self.last_layer2_conv = conv2d(256, 128, 1)
self.last_layer2_upsample = nn.Upsample(scale_factor=2, mode='nearest')
self.last_layer2 = make_last_layers([128, 256], out_filters[-3] + 128, final_out_filter2)
def forward(self, x):
def _branch(last_layer, layer_in):
for i, e in enumerate(last_layer):
layer_in = e(layer_in)
if i == 4:
out_branch = layer_in
return layer_in, out_branch
# backbone
x2, x1, x0 = self.backbone(x)
# yolo branch 0
out0, out0_branch = _branch(self.last_layer0, x0)
# yolo branch 1
x1_in = self.last_layer1_conv(out0_branch)
x1_in = self.last_layer1_upsample(x1_in)
x1_in = torch.cat([x1_in, x1], 1)
out1, out1_branch = _branch(self.last_layer1, x1_in)
# yolo branch 2
x2_in = self.last_layer2_conv(out1_branch)
x2_in = self.last_layer2_upsample(x2_in)
x2_in = torch.cat([x2_in, x2], 1)
out2, _ = _branch(self.last_layer2, x2_in)
return out0, out1, out2
4、预测结果的解码和最终预测框筛选
由第三步我们可以获得最终三个有效特征层的预测结果，shape分别为(N,255,13,13)，(N,255,26,26)，(N,255,52,52)的数据，对应每个图分为13x13、26x26、52x52的网格上3个预测框的位置。
但是这个预测结果并不对应着最终的预测框在图片上的位置，还需要解码才可以完成。我们利用yolov3的网络预测结果会对我们的预先设定好了的先验框进行调整，获得最终的预测框，对先验框进行调整的过程我们称作解码的过程。
总结：先验框解码的过程就是利用yolov3网络的预测结果（3个有效的特征层）对先验框进行调整的过程，调整完就是预测框。
此处要讲一下yolo3的预测原理，yolo3的3个特征层分别将整幅图分为13x13、26x26、52x52的网格，每个网络点负责一个区域的检测。
我们知道特征层的预测结果对应着三个预测框的位置，若是coco数据集，我们先将其reshape一下，其结果为(N,3,85,13,13,)，(N,3,85,26,26)，(N,3,85,52,52)。
维度中的85包含了4+1+80，分别代表x_offset、y_offset、h和w、置信度、分类结果，如果是voc数据，则为25。
yolo3的具体解码过程：在代码中就是首先生成特征层大小的网格，然后将我们预先设置好了的在原图中416*416先验框的尺寸调整到有效特征层大小上，最后从yolov3的网络预测结果获得先验框的中心调整参数x_offset和y_offset和宽高的调整参数h和w，对在特征层尺寸大小上的先验框进行调整，将每个网格点加上它对应的x_offset和y_offset的结果就是调整后的先验框的中心，也就是预测框的中心，然后再利用先验框和h、w结合 计算出调整后的先验框的的长和宽，也就是预测框的高和宽，这样就能得到在特征层上整个预测框的位置了，最后我们将在有效特征层上的预测框的位置再调整到原图416*416的大小上。
以13*13有效特征层为例：左图是先验框在有效特征层调整的可视化，右图是在原图上绘制的调整后的先验框，即真实的预测框。
解码实现代码如下：详情见utils.py(对yolov3的网络预测结果进行解码显示)
class DecodeBox(nn.Module):
def __init__(self, anchors, num_classes, img_size):
super(DecodeBox, self).__init__()
self.anchors = anchors
self.num_anchors = len(anchors)
self.num_classes = num_classes
self.bbox_attrs = 5 + num_classes
self.img_size = img_size
def forward(self, input):
batch_size = input.size(0)
input_height = input.size(2)
input_width = input.size(3)
# 计算步长
stride_h = self.img_size[1] / input_height
stride_w = self.img_size[0] / input_width
# 归一到特征层上
scaled_anchors = [(anchor_width / stride_w, anchor_height / stride_h) for anchor_width, anchor_height in self.anchors]
# 对预测结果进行resize
prediction = input.view(batch_size, self.num_anchors,
self.bbox_attrs, input_height, input_width).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
# 先验框的中心位置的调整参数
x = torch.sigmoid(prediction[..., 0])
y = torch.sigmoid(prediction[..., 1])
# 先验框的宽高调整参数
w = prediction[..., 2] # Width
h = prediction[..., 3] # Height
# 获得置信度，是否有物体
conf = torch.sigmoid(prediction[..., 4])
# 种类置信度
pred_cls = torch.sigmoid(prediction[..., 5:]) # Cls pred.
FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if x.is_cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if x.is_cuda else torch.LongTensor
# 生成网格，先验框中心，网格左上角
grid_x = torch.linspace(0, input_width - 1, input_width).repeat(input_width, 1).repeat(
batch_size * self.num_anchors, 1, 1).view(x.shape).type(FloatTensor)
grid_y = torch.linspace(0, input_height - 1, input_height).repeat(input_height, 1).t().repeat(
batch_size * self.num_anchors, 1, 1).view(y.shape).type(FloatTensor)
# 生成先验框的宽高
anchor_w = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([0]))
anchor_h = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([1]))
anchor_w = anchor_w.repeat(batch_size, 1).repeat(1, 1, input_height * input_width).view(w.shape)
anchor_h = anchor_h.repeat(batch_size, 1).repeat(1, 1, input_height * input_width).view(h.shape)
# 计算调整后的先验框中心与宽高
pred_boxes = FloatTensor(prediction[..., :4].shape)
pred_boxes[..., 0] = x.data + grid_x
pred_boxes[..., 1] = y.data + grid_y
pred_boxes[..., 2] = torch.exp(w.data) * anchor_w
pred_boxes[..., 3] = torch.exp(h.data) * anchor_h
# 用于将输出调整为相对于416x416的大小
_scale = torch.Tensor([stride_w, stride_h] * 2).type(FloatTensor)
output = torch.cat((pred_boxes.view(batch_size, -1, 4) * _scale,
conf.view(batch_size, -1, 1), pred_cls.view(batch_size, -1, self.num_classes)), -1)
return output.data
5、在原图上进行绘制
通过第四步，我们就可以获得预测框在原图上的位置，当然得到最终的预测结果后还要进行得分排序与非极大抑制筛选，因为右图我们可以看到，由于一个网格点有3个先验框，则调整后有3个预测框，在原图上绘制的时候，同一个目标就有3个预测框，那要找出最合适的预测框，我们需要进行筛选。如下图举例：假设3个蓝色的是我们获得的预测框，黄色的是真实框，红色的是用与预测目标的网格，我们就需要对这检测同一个目标的网格点上的3个调整后的先验框（也就是预测框）进行筛选。
这一部分基本上是所有目标检测通用的部分。不过该项目的处理方式与其它项目不同。其对于每一个类进行判别。
1、取出每一类得分大于self.obj_threshold的框和得分。
2、利用框的位置和得分进行非极大抑制。
详情请见yolo.py和utils.py。
二、训练部分
1、计算loss所需参数
在计算loss的时候，实际上是网络预测结果prediction和目标target之间的对比：prediction：就是你输入一张图片给yolov3网络模型最终的预测结果，也就是3个有效特征层，每一张图片最后都对应3个有效特征层。target：就是你制作的训练集中标注图片中的数据信息，这是网络的真实框情况。
2、prediction是什么
对于yolo3的模型来说，网络最后输出的内容就是三个有效特征层，3个有效特征层的每个网格点（特征点）对应着预测框及其种类，即三个特征层分别对应着图片被分为不同size的网格后，每个网格点上三个先验框对应的位置、置信度及其种类。
输出层的shape分别为(13,13,75)，(26,26,75)，(52,52,75)，最后一个维度为75是因为是基于voc数据集的，它的类为20种，yolo3的每一个特征层的每一个特征点（网格点）都预先设置3个先验框，每个先验框包含1+4=20个参数信息，1代表这个先验框内部是否有目标，4代表框的xywh参数信息，20代表框的种类信息，所以每一个特征点对应3*25参数， 即最后维度为3x25。如果使用的是coco训练集，类则为80种，最后的维度应该为255 = 3x85，三个特征层的shape为(13,13,255)，(26,26,255)，(52,52,255)
注意：此处得到的yolov3的网络预测结果（3个有效特征层）y_prediction此时并没有解码，也就是yolov3.py中yolobody类的输出结果，有效特征层解码了之后才是真实图像上的情况。
3、target是什么。
target就是一个真实图像中，真实框的情况。第一个维度是batch_size，第二个维度是每一张图片里面真实框的数量，第三个维度内部是真实框的信息，包括位置以及种类。
4、loss的计算过程
拿到pred和target后，不可以简单的减一下作为对比，需要进行如下步骤。
第一步：对yolov3网络的预测结果进行解码,获得网络预测结果对先验框的调整数据
第二步：对真实框进行处理，获得网络应该真正有的对先验框的调整数据，也就是网络真正应该有的预测结果 ，然后和我们得到的网络的预测结果进行对比，代码中get_target函数
- 判断真实框在图片中的位置，判断其属于哪一个网格点去检测。
- 判断真实框和哪个预先设定的先验框重合程度最高。
- 计算该网格点应该有怎么样的预测结果才能获得真实框（利用真实框的数据去调整预先设定好了的先验框，得到真实框该网格点应该预测的先验框的调整数据）
- 对所有真实框进行如上处理。
- 获得网络应该有的预测结果，将其与yolov3预测实际的预测结果对比。
第三步: 将真实框内部没有目标的对应的网络的预测结果的且重合程度较大的先验框进行忽略，因为图片的真实框中没有目标，也就是这个框的内部没有对象，框的位置信息是没有用的，网络输出的这个先验框的信息和其代表的种类是没有意义的，这样的得到调整的先验框应该被忽略掉，网络只输出框内部有目标的数据信息，代码中get_ignore函数。第四步：利用真实框得到网络真正的调整数据和网络预测的调整数据后，我们就对其进行对比loss计算，如下：
这里需要注意的是：上述处理过程依次对3个有效特征才层进行计算的，因为yolov3是分3个有效特征层进行预测的,计算3个有效特征层的loss的值相加之后就是我们模型最终的loss值，就可以进行反向传播和梯度下降了。代码实现上述过程详情请见yolo_training.py
from random import shuffle
import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import math
import torch.nn.functional as F
from matplotlib.colors import rgb_to_hsv, hsv_to_rgb
from PIL import Image
from utils.utils import bbox_iou
def clip_by_tensor(t,t_min,t_max):
t=t.float()
result = (t >= t_min).float() * t + (t < t_min).float() * t_min
result = (result <= t_max).float() * result + (result > t_max).float() * t_max
return result
def MSELoss(pred,target):
return (pred-target)**2
def BCELoss(pred,target):
epsilon = 1e-7
pred = clip_by_tensor(pred, epsilon, 1.0 - epsilon)
output = -target * torch.log(pred) - (1.0 - target) * torch.log(1.0 - pred)
return output
class YOLOLoss(nn.Module):
def __init__(self, anchors, num_classes, img_size):
super(YOLOLoss, self).__init__()
self.anchors = anchors
self.num_anchors = len(anchors)
self.num_classes = num_classes
self.bbox_attrs = 5 + num_classes
self.img_size = img_size
self.ignore_threshold = 0.5
self.lambda_xy = 1.0
self.lambda_wh = 1.0
self.lambda_conf = 1.0
self.lambda_cls = 1.0
def forward(self, input, targets=None):
# 一共多少张图片
bs = input.size(0)
# 特征层的高
in_h = input.size(2)
# 特征层的宽
in_w = input.size(3)
# 计算步长
stride_h = self.img_size[1] / in_h
stride_w = self.img_size[0] / in_w
# 把先验框的尺寸调整成特征层大小的形式
scaled_anchors = [(a_w / stride_w, a_h / stride_h) for a_w, a_h in self.anchors]
# reshape
prediction = input.view(bs, int(self.num_anchors/3),
self.bbox_attrs, in_h, in_w).permute(0, 1, 3, 4, 2).contiguous()
# 对prediction预测进行调整
x = torch.sigmoid(prediction[..., 0]) # Center x
y = torch.sigmoid(prediction[..., 1]) # Center y
w = prediction[..., 2] # Width
h = prediction[..., 3] # Height
conf = torch.sigmoid(prediction[..., 4]) # Conf
pred_cls = torch.sigmoid(prediction[..., 5:]) # Cls pred.
# 找到哪些先验框内部包含物体
mask, noobj_mask, tx, ty, tw, th, tconf, tcls, box_loss_scale_x, box_loss_scale_y =
self.get_target(targets, scaled_anchors,
in_w, in_h,
self.ignore_threshold)
noobj_mask = self.get_ignore(prediction, targets, scaled_anchors, in_w, in_h, noobj_mask)
box_loss_scale_x = (2-box_loss_scale_x).cuda()
box_loss_scale_y = (2-box_loss_scale_y).cuda()
box_loss_scale = box_loss_scale_x*box_loss_scale_y
mask, noobj_mask = mask.cuda(), noobj_mask.cuda()
tx, ty, tw, th = tx.cuda(), ty.cuda(), tw.cuda(), th.cuda()
tconf, tcls = tconf.cuda(), tcls.cuda()
# losses.
loss_x = torch.sum(BCELoss(x, tx) / bs * box_loss_scale * mask)
loss_y = torch.sum(BCELoss(y, ty) / bs * box_loss_scale * mask)
loss_w = torch.sum(MSELoss(w, tw) / bs * 0.5 * box_loss_scale * mask)
loss_h = torch.sum(MSELoss(h, th) / bs * 0.5 * box_loss_scale * mask)
loss_conf = torch.sum(BCELoss(conf, mask) * mask / bs) +
torch.sum(BCELoss(conf, mask) * noobj_mask / bs)
loss_cls = torch.sum(BCELoss(pred_cls[mask == 1], tcls[mask == 1])/bs)
loss = loss_x * self.lambda_xy + loss_y * self.lambda_xy +
loss_w * self.lambda_wh + loss_h * self.lambda_wh +
loss_conf * self.lambda_conf + loss_cls * self.lambda_cls
# print(loss, loss_x.item() + loss_y.item(), loss_w.item() + loss_h.item(),
# loss_conf.item(), loss_cls.item(),
# torch.sum(mask),torch.sum(noobj_mask))
return loss, loss_x.item(), loss_y.item(), loss_w.item(),
loss_h.item(), loss_conf.item(), loss_cls.item()
def get_target(self, target, anchors, in_w, in_h, ignore_threshold):
# 计算一共有多少张图片
bs = len(target)
# 获得先验框
anchor_index = [[0,1,2],[3,4,5],[6,7,8]][[13,26,52].index(in_w)]
subtract_index = [0,3,6][[13,26,52].index(in_w)]
# 创建全是0或者全是1的阵列
mask = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
noobj_mask = torch.ones(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
tx = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
ty = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
tw = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
th = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
tconf = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
tcls = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, self.num_classes, requires_grad=False)
box_loss_scale_x = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
box_loss_scale_y = torch.zeros(bs, int(self.num_anchors/3), in_h, in_w, requires_grad=False)
for b in range(bs):
for t in range(target[b].shape[0]):
# 计算出在特征层上的点位
gx = target[b][t, 0] * in_w
gy = target[b][t, 1] * in_h
gw = target[b][t, 2] * in_w
gh = target[b][t, 3] * in_h
# 计算出属于哪个网格
gi = int(gx)
gj = int(gy)
# 计算真实框的位置
gt_box = torch.FloatTensor(np.array([0, 0, gw, gh])).unsqueeze(0)
# 计算出所有先验框的位置
anchor_shapes = torch.FloatTensor(np.concatenate((np.zeros((self.num_anchors, 2)),
np.array(anchors)), 1))
# 计算重合程度
anch_ious = bbox_iou(gt_box, anchor_shapes)
# Find the best matching anchor box
best_n = np.argmax(anch_ious)
if best_n not in anchor_index:
continue
# Masks
if (gj < in_h) and (gi < in_w):
best_n = best_n - subtract_index
# 判定哪些先验框内部真实的存在物体
noobj_mask[b, best_n, gj, gi] = 0
mask[b, best_n, gj, gi] = 1
# 计算先验框中心调整参数
tx[b, best_n, gj, gi] = gx - gi
ty[b, best_n, gj, gi] = gy - gj
# 计算先验框宽高调整参数
tw[b, best_n, gj, gi] = math.log(gw / anchors[best_n+subtract_index][0])
th[b, best_n, gj, gi] = math.log(gh / anchors[best_n+subtract_index][1])
# 用于获得xywh的比例
box_loss_scale_x[b, best_n, gj, gi] = target[b][t, 2]
box_loss_scale_y[b, best_n, gj, gi] = target[b][t, 3]
# 物体置信度
tconf[b, best_n, gj, gi] = 1
# 种类
tcls[b, best_n, gj, gi, int(target[b][t, 4])] = 1
else:
print('Step {0} out of bound'.format(b))
print('gj: {0}, height: {1} | gi: {2}, {3}'.format(gj, in_h, gi, in_w))
continue
return mask, noobj_mask, tx, ty, tw, th, tconf, tcls, box_loss_scale_x, box_loss_scale_y
def get_ignore(self,prediction,target,scaled_anchors,in_w, in_h,noobj_mask):
bs = len(target)
anchor_index = [[0,1,2],[3,4,5],[6,7,8]][[13,26,52].index(in_w)]
scaled_anchors = np.array(scaled_anchors)[anchor_index]
# print(scaled_anchors)
# 先验框的中心位置的调整参数
x_all = torch.sigmoid(prediction[..., 0])
y_all = torch.sigmoid(prediction[..., 1])
# 先验框的宽高调整参数
w_all = prediction[..., 2] # Width
h_all = prediction[..., 3] # Height
for i in range(bs):
x = x_all[i]
y = y_all[i]
w = w_all[i]
h = h_all[i]
FloatTensor = torch.cuda.FloatTensor if x.is_cuda else torch.FloatTensor
LongTensor = torch.cuda.LongTensor if x.is_cuda else torch.LongTensor
# 生成网格，先验框中心，网格左上角
grid_x = torch.linspace(0, in_w - 1, in_w).repeat(in_w, 1).repeat(
int(self.num_anchors/3), 1, 1).view(x.shape).type(FloatTensor)
grid_y = torch.linspace(0, in_h - 1, in_h).repeat(in_h, 1).t().repeat(
int(self.num_anchors/3), 1, 1).view(y.shape).type(FloatTensor)
# 生成先验框的宽高
anchor_w = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([0]))
anchor_h = FloatTensor(scaled_anchors).index_select(1, LongTensor([1]))
anchor_w = anchor_w.repeat(1, 1, in_h * in_w).view(w.shape)
anchor_h = anchor_h.repeat(1, 1, in_h * in_w).view(h.shape)
# 计算调整后的先验框中心与宽高
pred_boxes = torch.FloatTensor(prediction[0][..., :4].shape)
pred_boxes[..., 0] = x.data + grid_x
pred_boxes[..., 1] = y.data + grid_y
pred_boxes[..., 2] = torch.exp(w.data) * anchor_w
pred_boxes[..., 3] = torch.exp(h.data) * anchor_h
pred_boxes = pred_boxes.view(-1, 4)
for t in range(target[i].shape[0]):
gx = target[i][t, 0] * in_w
gy = target[i][t, 1] * in_h
gw = target[i][t, 2] * in_w
gh = target[i][t, 3] * in_h
gt_box = torch.FloatTensor(np.array([gx, gy, gw, gh])).unsqueeze(0)
anch_ious = bbox_iou(gt_box, pred_boxes, x1y1x2y2=False)
anch_ious = anch_ious.view(x.size())
noobj_mask[i][anch_ious>self.ignore_threshold] = 0
# print(torch.max(anch_ious))
return noobj_mask
5.正式训练
正式训练：包括数据集的加载和预处理（图片的归一化、框的坐标格式的转换、图片的通道的改变、数据增强等）请见yolotrain.py中的 Generator类，预训练权重的导入、网路模型的正向传播和反向传播梯度下降，请见train.py。
yolov3预训练权重的下载和visdrone2019数据集，关注我获取。
训练自己的yolov3模型
yolo3整体的文件夹构架：
本文使用VOC格式进行训练。
一. 数据集的准备
1.visdron2019数据集的下载训练：
下载完成后放在VOCdevkit文件夹下，利用我放置在VOCdevkit下的det_to_voc.py进行visdrone数据集转Voc格式的转换,生成的xml文件你可以存放在Annotations里面，也可以自己单独创建一份xml文件夹存放，只要在你voc2yolo3.py转换时注意xmlfilepath的路径就好了。
2.自己制作数据集训练：自己制作的数据集进行训练，不会利用labelimg制作数据集的,请看我这篇文章： 制作自己的训练数据集之图像标注工具labelimg和labelme
二、训练和效果展示1.正式训练数据集制作完成后，将图片对应的标签xml文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的Annotation中。
将原图片jpg文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的JPEGImages中。
然后利用voc2yolo3.py文件生成对应的train.val.test的对应的图片序号的txt。
再运行根目录下的voc_annotation.py，生成模型读入的txt文件格式，运行前需要将classes改成你自己的classes。
就会生成对应的2007_train.txt，每一行对应其图片位置及其真实框的位置。
然后需要修改model_data里面的voc_classes.txt文件，需要将classes改成你自己的classes，也可以自己新建一个new_classes.txt。同时还需要修改utils/config.py文件，修改内部的Num_Classes变成所分的种类的数量。
运行train.py即可开始训练，训练好了的模型会保存在logs的文件下。
2.效果展示
利用Visdrone2019数据集训练的每个epoch模型权重的保存：
三.利用训练好的模型进行预测
1.修改yolo.py文件夹中的模型路径model_path为你训练好了的模型权重
2.运行predict.py,输入图片进行测试
3.预测效果
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